CN115059563A - 用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统、氨气发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统、氨气发动机，包括：等离子发生器(2)：用于对氨气‑空气进行电离产生氨气‑空气‑等离子体混合气；预燃室(8)：所述的预燃室连通氨气发动机的缸体(7)，所述的预燃室(8)设有用于点火的点火件(4)；气体流道：用于将氨气‑空气‑等离子体混合气输入至氨气发动机的缸体(7)以及预燃室(8)。与现有技术相比，本发明大大提高了氨气的燃烧效率，同时一定程度上减少了污染气体的生成。

Description

用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统、氨气发动机
技术领域
本发明涉及氨气发动机技术领域，尤其是涉及一种用于氨气发动机的等离子体预燃室系统、氨气发动机。
背景技术
氨气燃料是一种低成本、清洁、安全且热效率较高的新型燃料。氨气是一种符合未来要求的燃料并且来源广泛，包括多种传统燃料(煤，天然气，石油等)，废弃热能和水电，城市垃圾或者多种生物质材料制备而来。氨气在工业上的应用已有将近一个多世纪，其生产，存储和运输也相较于氢气更加完善和成熟，其相应的改造投资会更为低廉。与氢气相比，氨气不易发生爆炸，安全性较强。相比液态氢气，其存储效率也将近小30％，由于氨气液化温度远高于氢气液化温度 (293.8K vs 20K)，氢气的储存压力约为氨气(700bar vs 8bar)的87.5倍。较低的存储压力和体积可以有效的减少存储和运输成本，减少的成本约为氢气的10倍和47 倍。氨气也是一种能量密度较高的燃料，液态氨气体积能量密度远大于液态氢气，氨气的氢含量为17.7，略高于甲醇，乙醇和汽油等，由于氨气具有较高的辛烷值 (>130)，其可以运用到较高的压缩比的发动机上。故将氨气这一新型燃料应用到内燃运载设备上具有巨大潜力。
将氨气直接应用到发动机上存在很多问题：首先，氨气燃烧含有大量氮元素，燃烧之后大量形成污染物氮氧化物；由于氨气本身特性，其层流火焰速度较慢，需要加入助燃剂提升氨气的燃烧特性；氨气较难点燃也限制了其燃烧效率。此外，氨基燃料传统减排方法多为后处理技术，缺少从燃烧角度减少排放的新方法和新系统；传统的助燃剂为氢气，甲烷，汽油，柴油等，但是额外的重整氨气制备氢气的系统和额外的燃料存储成本，极大的限制了氨气发动机的应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于氨气发动机的等离子体预燃室系统、氨气发动机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，包括：
等离子发生器：用于对氨气-空气进行电离产生氨气-空气-等离子体混合气；
预燃室：所述的预燃室连通氨气发动机的缸体，所述的预燃室设有用于点火的点火件；
气体流道：用于将氨气-空气-等离子体混合气输入至氨气发动机的缸体以及预燃室。
优选地，所述的气体流道包括主进气道和预燃室进气流道，所述的主进气道连通所述的缸体，所述的预燃室进气流道连通主进气道和预燃室。
优选地，所述的等离子发生器设置在主进气道的气体入口位置，所述的主进气道的气体入口用于通入氨气-空气混合气体。
优选地，所述的主进气道与所述的缸体之间设有进气门。
优选地，所述的预燃室进气流道中设有用于气体从主进气道向预燃室单向流动的单向阀。
优选地，所述的点火件包括火花塞。
优选地，所述的等离子发生器包括纳米级等离子发生器。
优选地，所述的等离子发生器连接控制器，施加于所述的等离子发生器的电压通过所述的控制器控制。
优选地，所述的预燃室位于氨气发动机的缸体上方，预燃产生的射流火焰从所述的预燃室中喷射入所述的缸体中。
一种氨气发动机，包括发动机本体，还包括所述的点火系统。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明从氨气的燃烧特性和氨气发动机高效燃烧方式出发，提出了一种针对纯氨气发动机独特的点火系统，设计了耦合了等离子体技术和预燃室技术的新型用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，等离子发生器生成的多种等离子体作为助燃剂与氨气在预燃室混合，生成预燃火焰，解决了纯氨气难以点燃的问题，预燃室火焰经由预燃室射流出口喷出，点燃缸内燃气(氨气空气//等离子体混合气)，预燃室点火可以实现对燃气的多点点火以及面点火，提升燃烧效率。
(2)本发明将等离子体设置在主进气道部分，一方面等离子体可以进入预燃室助燃氨气，另一部分等离子体进入缸体内进一步加快缸体内燃烧效率，结构紧凑。
(3)本发明将等离子体作为助燃剂，与传统的氢气，汽油，柴油助燃燃料来说，节省了助燃燃料存放空间及燃料混合，喷射和重整等零部件，本系统更为安全，成本更加低廉。
(4)本发明中的等离子体掺混氨气燃烧，对减少氮氧化物的生成具有明显作用：一方面相比传统的助燃剂，助燃剂的添加会使缸内燃烧温度增大，一定程度的增大氮氧化物的生成，而等离子体作为助燃剂并不会显著增加缸内燃烧温度，故并不会生成更多的氮氧化物；另一方面，等离子体中的离子与氨气进行化学反应，抑制了氮氧化物的生成，故等离子体的加入可以同时减少热生成氮氧化物和化学生成氮氧化物。
附图说明
图1为一种包含等离子体预燃室点火系统的氨气发动机的结构示意图。
图中，1为控制器，2为等离子发生器，3为单向阀，4为点火件，5为主进气道，6为预燃室进气流道，7为缸体，8为预燃室，9为排气道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，包括：
等离子发生器2：用于对氨气-空气进行电离产生氨气-空气-等离子体混合气；
预燃室8：预燃室连通氨气发动机的缸体7，预燃室8设有用于点火的点火件 4，点火件4包括火花塞；
气体流道：用于将氨气-空气-等离子体混合气输入至氨气发动机的缸体7以及预燃室8。
本发明从氨气的燃烧特性和氨气发动机高效燃烧方式出发，结合了等离子体技术和预燃室技术，提出了一种针对纯氨气发动机独特的点火系统，设计了耦合了等离子体技术和预燃室技术的新型用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，预燃室可以很好的与等离子技术结合，预燃室其可以实现对燃气的多点点火以及面点火，很好的点燃缸内燃气，等离子体助燃技术可以很好的代替传统的助燃剂，节省了大量成本，提高了燃料效率。
具体地：
气体流道包括主进气道5和预燃室进气流道6，主进气道5连通缸体7，预燃室进气流道6连通主进气道5和预燃室8。等离子发生器2设置在主进气道5的气体入口位置，主进气道5的气体入口用于通入氨气-空气混合气体。主进气道5与缸体7之间设有进气门。预燃室进气流道6中设有用于气体从主进气道5向预燃室 8单向流动的单向阀3。本发明将等离子体设置在主进气道部分，一方面等离子体可以进入预燃室助燃氨气，另一部分等离子体进入缸体内进一步加快缸体内燃烧效率，结构紧凑。
等离子发生器2包括纳米级等离子发生器。等离子发生器2连接控制器1，施加于等离子发生器2的电压通过控制器1控制。预燃室8位于氨气发动机的缸体7 上方，预燃产生的射流火焰从预燃室8中喷射入缸体7中。等离子体可以一定程度的减少氮氧化物的生成，可以一定程度上减少预燃室内的污染气体的生成，本发明中通过控制器1控制等离子发生器2的电压，电压越大，氨气发动机产生的氮氧化物NOx排放越少。
本实施例点火系统的具体工作过程如下：
氨气-空气混合气在主进气道5进行混合，充分混合的气体经过安装在主进气道5入口的纳米级等离子发生器2电离出NH3+、N2+、N、H等正离子和O2- 和O-等负离子，纳米级等离子发生器2通过控制器1控制。等离子体放电后的气体温度小幅上升，绝热火焰温度升高，起到助燃氨气的作用。氨气-空气-等离子体混合气一部分直接由进气门进入缸体7内，另一部分通过预燃室进气流道6进入预燃室中；氨气-空气-等离子体混合气在预燃室8中由火花塞4点燃，射流火焰从预燃室中喷射入发动机缸体并引燃混合气体进行膨胀做工，废气有排气道9排出。
基于以上，本实施例还提供一种氨气发动机，包括发动机本体，还包括上述点火系统。此设计提出的氨气发动机适合用于船舶，汽车等多种交通领域。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，包括：
等离子发生器(2)：用于对氨气-空气进行电离产生氨气-空气-等离子体混合气；
预燃室(8)：所述的预燃室连通氨气发动机的缸体(7)，所述的预燃室(8)设有用于点火的点火件(4)；
气体流道：用于将氨气-空气-等离子体混合气输入至氨气发动机的缸体(7)以及预燃室(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，所述的气体流道包括主进气道(5)和预燃室进气流道(6)，所述的主进气道(5)连通所述的缸体(7)，所述的预燃室进气流道(6)连通主进气道(5)和预燃室(8)。
3.根据权利要求2所述的一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，所述的等离子发生器(2)设置在主进气道(5)的气体入口位置，所述的主进气道(5)的气体入口用于通入氨气-空气混合气体。
4.根据权利要求2所述的一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，所述的主进气道(5)与所述的缸体(7)之间设有进气门。
5.根据权利要求2所述的一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，所述的预燃室进气流道(6)中设有用于气体从主进气道(5)向预燃室(8)单向流动的单向阀(3)。
6.根据权利要求1所述的一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，所述的点火件(4)包括火花塞。
7.根据权利要求1所述的一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，所述的等离子发生器(2)包括纳米级等离子发生器。
8.根据权利要求1所述的一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，所述的等离子发生器(2)连接控制器(1)，施加于所述的等离子发生器(2)的电压通过所述的控制器(1)控制。
9.根据权利要求1所述的一种用于氨气发动机的等离子体预燃室点火系统，其特征在于，所述的预燃室(8)位于氨气发动机的缸体(7)上方，预燃产生的射流火焰从所述的预燃室(8)中喷射入所述的缸体(7)中。
10.一种氨气发动机，包括发动机本体，其特征在于，还包括权利要求1～9任意一项所述的点火系统。
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